(57)【要約】【課題】  電子線励起ディスプレイなど次世代の電子装置に広く応用される高効率、低電圧で動作し、容易に集積化できる電子放出素子を提供する。【解決手段】  表面が窒素原子面のＣ面を有するｎ型ＧａＮ層上へ原子層オーダーのＡｌＮ層／ＧａＮ層／ＡｌＮ層３層構造を成長させることにより、この量子構造に生じる自発分極やピエゾ分極による巨大な内部電界を利用し、電子の仕事関数を大幅に低減した電界放出電子放出素子を実現する。【選択図】      図１
2006286417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウルツ鉱構造を有し、表面が窒素原子面のＣ面である第１の窒化物系III-V族化合物半導体からなる下地層と、
厚さ１０原子層未満で、前記第１の窒化物系III-V族化合物半導体よりも格子定数の小さく、ウルツ鉱構造を有する第２の窒化物系III-V族化合物半導体層からなる第１歪み層と、
厚さ１０原子層未満の前記第１の窒化物系III-V族化合物半導体からなる中間層と、
厚さ１０原子層未満で、前記第２の窒化物系III-V族化合物半導体層からなる第２歪み層とを含む繰り返し構造を備え、該繰り返し構造の最上層を、厚さ１０原子層未満で、前記第２の窒化物系III-V族化合物半導体層からなる電子放出層としたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記繰り返し構造は、前記第１の窒化物系III-V族化合物半導体を量子井戸層、前記第２の窒化物系III-V族化合物半導体を障壁層とする多層量子井戸構造をなすことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記繰り返し構造は、前記下地層としての六角錐台形上に積層されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
Ａｌの組成をｘ，ｙ（１≧ｘ＞ｙ≧０）として、前記第１の窒化物系III-V族化合物半導体は、ＡｌyＧａ（１−y）Ｎであり、
前記第２の窒化物系III-V族化合物半導体は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記電子放出層の表面にセシウム膜が形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記電子放出層の表面に酸化セシウム膜が形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子放出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度電子源や電子線励起ディスプレイなどに用いることが可能な電子放出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子放出源材料としては、タングステンフィラメントのほかに、ダイヤモンド、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた電子放出源が知られている。又、カーボンナノチューブ等の電界放出素子も最近報告されている。更に、外部から電界を加える構成のダイヤモンドを用いた電界放出電子素子も提案されている（特許文献１参照。）。電子放出素子は電子顕微鏡等の電子源のみでなく、今後、電子線励起ディスプレイなど次世代の電子装置に広く応用される可能性があり、効率が良く、低電圧で動作し、且つ、容易に集積化できる電子放出素子が求められている。
【特許文献１】特開２００１−２６６７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
Ｓｉを用いた電界放出電子素子はＳｉ集積回路技術を基盤として開発されてきているが、通常の電界放出素子の場合、電子親和力が大きく素子表面に高電界が必要である。カーボンナノチューブのようなナノメートルサイズの針では、印加電圧が小さくても針表面に高電界が加わるため比較的低い電圧でも電子放出が可能である。しかし、高い電界強度を用いて電子放出をさせる場合、素子の劣化につながり、低い電界により電子放出ができることが望ましい。
【０００４】
上記問題点を鑑み、本発明は、高効率、低電圧で動作し、容易に集積化できる電子放出素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の態様は、（イ）ウルツ鉱構造を有し、表面が窒素原子面のＣ面である第１の窒化物系III-V族化合物半導体からなる下地層と、（ロ）厚さ１０原子層未満で、第１の窒化物系III-V族化合物半導体よりも格子定数の小さく、ウルツ鉱構造を有する第２の窒化物系III-V族化合物半導体層からなる第１歪み層と、（ハ）厚さ１０原子層未満の第１の窒化物系III-V族化合物半導体からなる中間層と、（ニ）厚さ１０原子層未満で、第２の窒化物系III-V族化合物半導体層からなる第２歪み層とを含む繰り返し構造を備える電子放出素子であることを要旨とする。特に、この繰り返し構造の最上層を、厚さ１０原子層未満で、第２の窒化物系III-V族化合物半導体層からなる電子放出層としていることを特徴とする。
【０００６】
ＧａＮ等の窒化物系III-V族化合物半導体の結晶は、通常、六方晶系のウルツ鉱構造をとる。この結晶構造では、ｃ軸方向に関して対称面が無く、表面がガリウム（Ｇａ）原子面の場合を「＋Ｃ面」、表面が窒素（Ｎ）原子面の場合を「−Ｃ面」と称する。
【０００７】
本発明の態様に係る電子放出素子では、第１の窒化物系III-V族化合物半導体と第２の窒化物系III-V族化合物半導体とのヘテロ接合に現れるピエゾ及び自発分極を利用し、電子放出層の電子親和力と仕事関数を大幅に低減できる。これにより、微弱な電界強度でも電子放出が可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高効率、低電圧で動作し、容易に集積化できる電子放出素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者は、既に、窒化物半導体の分極電界を利用するＧａＮ／窒化アルミニウム（ＡｌＮ）／ＧａＮ（より広義には、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ）３層構造電子放出素子及びＡｌＮ／ＧａＮ共鳴トンネル多重量子井戸層を用いる電子放出素子を提案した（特願２００４−２４７８３２号及び特願２００４−３０７７１９号。）。
【００１０】
特願２００４−２４７８３２号及び特願２００４−３０７７１９号で提案した２種類の素子は、＋Ｃ面（ガリウム面）上に作製したＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ３層構造或いは、このＡｌＮ層の代わりにＡｌＮ／ＧａＮ多重量子井戸共鳴トンネル層を用いた構造を持ち、ＡｌＮ或いはＡｌＮ／ＧａＮ共鳴トンネル層に加わるピエゾ及び自発分極により表面付近を空乏層化し、表面電極によりＧａＮ表面に高電界を印加させ電子をバリスティックに放出させるものである。
【００１１】
それに対し、以下に説明する本発明の第１及び第２の実施の形態は、例えば、ｎ型ＧａＮ上へＡｌＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ３層構造を形成し、ＡｌＮに加わる分極電界により電子親和力と仕事関数を大幅に低減し、ＡｌＮ表面から電子を電界放出させるものであり、低い仕事関数により、低電界・高電子密度の電子放出を可能とするものである。但し、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、その構成や配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る電子放出素子のエネルギーバンド構造を図１に示す。図１に示した電子放出素子は、ｎ型ＧａＮ（第１の窒化物系III-V族化合物半導体）基板或いは下地層となるｎ型ＧａＮ（第１の窒化物系III-V族化合物半導体）薄膜上へ、厚さが４原子層のＡｌＮ（第２の窒化物系III-V族化合物半導体層）からなる第１歪み層、３原子層のＧａＮ（第１の窒化物系III-V族化合物半導体）からなる中間層及び４原子層のＡｌＮ層（第２の窒化物系III-V族化合物半導体層）からなる第２歪み層を成長させたものである。本発明では、ｎ型ＧａＮ（第１の窒化物系III-V族化合物半導体）基板及び下地層となるｎ型ＧａＮ（第１の窒化物系III-V族化合物半導体）薄膜を含んで、「下地層」と称することとする。
【００１３】
第１の窒化物系III-V族化合物半導体としてのＧａＮのａ軸方向の３００Ｋにおける格子常数は０．３１８９ｎｍ、ｃ軸方向の格子常数は０．５１８２ｎｍである。一方、第２の窒化物系III-V族化合物半導体としてのＡｌＮのａ軸方向の３００Ｋにおける格子常数は０．３１１１ｎｍ、ｃ軸方向の格子常数は０．４９８０ｎｍである。このため、第１歪み層及び第２歪み層の面内格子定数は下地層のｎ型ＧａＮ層と同じ格子定数になるように、面に水平方向に引張られ、面に垂直な方向の格子間隔は小さくなる。こうして第１及び第２歪み層には１ｎｍ当り０．８Ｖ程度の巨大なピエゾ及び自発分極による電界が電子放出素子内部へ向かう方向に加わる。
【００１４】
この電界は電子放出素子の表面の仕事関数と電子親和力を１．６ｅＶ程度低減する。これは電子放出層として機能する第２歪み層の表面層からの電子放出にたいへん有効に働く。
【００１５】
電子放出層の表面に１原子層程度のセシウム（Ｃｓ）を付着させたＧａＮ層表面の電子親和力は１．６ｅＶ程度となり、第２歪み層表面では負の値を持つ。表面を酸化セシウム（Ｃｓ2Ｏ）で処理しても同様な効果が得られる。こうして、本発明の第１の実施の形態に係る電子放出層の表面をセシウムや酸化セシウム処理することにより、電子の仕事関数をほぼゼロ付近まで低減することが可能となる。
【００１６】
図２は、ホットウォールエピタキシー法により作製したＧａＮ層の−Ｃ面（窒素面）の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。−Ｃ面にＧａＮ層を成長させると、図２中に見られるような六角錐（六角錐台形）構造が形成される。こうした六角錐の頂点に、ＡｌＮ層／ＧａＮ層／ＡｌＮ層構造を作製すれば、外部印加電界の集中が六角錐の頂上で生じるため、電子放出特性を更に改善することができる。
【００１７】
図１に示した第１歪み層／中間層／第２歪み層構造の各層の厚さは、各層の厚さを１０原子層未満とすれば、様々な厚さでの設計が可能である。各層の厚さが１０原子層を越えて厚くなると、第１歪み層及び第２歪み層の面内格子定数は下地層のｎ型ＧａＮ層と同じ格子定数になるように、面に水平方向に引張られ、面に垂直な方向の格子間隔は小さくなる効果が緩和される。このため、各層の厚さが１０原子層を越える場合は、ピエゾ及び自発分極による電界弱まるので、好ましくない。
【００１８】
又、第１歪み層／中間層／第２歪み層の３層構造にこだわらず、第１歪み層／第１中間層／第２歪み層／第２中間層／第３歪み層からなる５層構造、第１歪み層／第１中間層／第２歪み層／第２中間層／第３歪み層／第３中間層／第４歪み層からなるからなる７層構造や、更には９層以上の構造とすることもできる。
【００１９】
より一般的には、図１に示したＡｌＮの第１歪み層／ＧａＮの中間層／ＡｌＮの第２歪み層構造の代わりに、Ａｌの組成をｘ，ｙ（１≧ｘ＞ｙ≧０）として、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎの第１歪み層／ＡｌyＧａ（１−y）Ｎの中間層／ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎの第２歪み層としても、第２歪み層の面内格子定数は下地層のｎ型ＡｌyＧａ（１−y）Ｎ層と同じ格子定数になるように、面に水平方向に引張られ、面に垂直な方向の格子間隔は小さくなる。こうして第１及び第２歪み層にはピエゾ及び自発分極による電界が電子放出素子内部へ向かう方向に加わり、これにより電子の仕事関数をほぼゼロ付近まで低減し、高効率、低電圧で動作し、容易に集積化できる電子放出素子を実現できる。
【００２０】
本発明の第１の実施の形態に係る電子放出素子によれば、従来の電界放出型電子放出源に比べ、低い仕事関数を持つため、低駆動電圧で動作し、電子素子とのマッチングが良く集積化も容易である。又、本発明の第１の実施の形態に係る電子放出素子によれば、将来の低電圧動作電子線励起ディスプレイや電子線励起発光素子・照明機器の電子源として利用できる。したがって、将来のフラットパネルディスプレイや照明用電子放出源として利用できる電子放出素子を提供できる。又、高密度の電子放出も可能であり、自由電子レ−ザや加速器等での高密度電子源としても期待できる電子放出素子を提供できる。
【００２１】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係る電子放出素子で既に説明したように、図１に示した第１歪み層／中間層／第２歪み層構造の各層の厚さは、様々な厚さでの設計が可能であり、中間層としてのＧａＮ層の厚さを、キャリアのド・ブロイ波長（λ≒１０ｎｍ）程度以下にすれば、第１歪み層及び第２歪み層を障壁層とするＧａＮ層の量子井戸が構成できる。
【００２２】
より一般的には、第１の窒化物系III-V族化合物半導体層としてのＡｌyＧａ（１−y）Ｎ層の厚さをキャリアのド・ブロイ波長（λ≒１０ｎｍ）程度以下にし、第２の窒化物系III-V族化合物半導体層ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ層を障壁層とするＡｌyＧａ（１−y）Ｎ層の量子井戸を構成すれば、第１の実施の形態に係る電子放出素子と同様に、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ障壁層としての歪み層にはピエゾ及び自発分極による電界が電子放出素子内部へ向かう方向に加わり、これにより、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ障壁層の電子の仕事関数をほぼゼロ付近まで低減し、高効率、低電圧で動作し、容易に集積化できる電子放出素子を実現できる。
【００２３】
更に、量子井戸構造を周期的に繰り返すことによって、多重量子井戸構造にしても、障壁層のＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ層には、巨大なピエゾ及び自発分極による電界が電子放出素子内部へ向かう方向に加わり、この電界は電子放出素子の表面の仕事関数と電子親和力を低減させ、これにより最上層のＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ障壁層である電子放出層からの電子放出が容易になる。特に、多重量子井戸構造の最上層である電子放出層の表面に１原子層程度のセシウム（Ｃｓ）を付着させれば、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ障壁層表面の電子親和力は低減され、電子放出層の表面では負の値を持つように設計できる。又、多重量子井戸構造の表面を酸化セシウム（Ｃｓ2Ｏ）で処理しても同様な効果が得られる。こうして、多重量子井戸構造の表面をセシウムや酸化セシウム処理することにより、電子の仕事関数をほぼゼロ付近まで低減し、高効率、低電圧で動作し、容易に集積化できる電子放出素子を実現できる。
【００２４】
特に、ＡｌyＧａ（１−y）Ｎ量子井戸層の量子効果によりｎ型ＡｌyＧａ（１−y）Ｎ量子井戸層から電子を共鳴トンネルさせることにより、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ障壁層表面から電子を電界放出させることにより、低い仕事関数と共鳴トンネル効果により、低電界・高電子密度の電子放出が可能となる。
【００２５】
更に、図２中に示したような六角錐構造を形成し、こうした六角錐の頂点に、多重量子井戸構造構造を作製すれば、外部印加電界の集中が六角錐の頂上で生じるため、電子放出特性を更に改善することができる。
【００２６】
本発明の第２の実施の形態に係る電子放出素子によれば、従来の電界放出型電子放出源に比べ、低い仕事関数を持つため、低駆動電圧で動作し、電子素子とのマッチングが良く集積化も容易である。又、本発明の第２の実施の形態に係る電子放出素子によれば、将来の低電圧動作電子線励起ディスプレイや電子線励起発光素子・照明機器の電子源として利用できる。したがって、将来のフラットパネルディスプレイや照明用電子放出源として利用できる電子放出素子を提供できる。又、高密度の電子放出も可能であり、自由電子レ−ザや加速器等での高密度電子源としても期待できる電子放出素子を提供できる。
【００２７】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００２８】
例えば、（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））zＩｎ（１−z）Ｎ層／（ＡｌyＧａ（１−y））zＩｎ（１−z）Ｎ層等の４元系窒化物系III-V族化合物半導体や、更には５元系以上の窒化物系III-V族化合物半導体により周期的繰り返しを構成しても、第１及び第２の実施の形態と同様に、最上層の窒化物系III-V族化合物半導体からなる電子放出層の電子放出が容易になり、高効率、低電圧で動作し、容易に集積化できる電子放出素子を実現できる。
【００２９】
４元系以上の窒化物系III-V族化合物半導体の場合も、多重量子井戸構造にすれば、窒化物系III-V族化合物半導体量子井戸層の量子効果により窒化物系III-V族化合物半導体量子井戸層から電子を共鳴トンネルさせることにより、最上層の窒化物系III-V族化合物半導体障壁層からなる電子放出層の表面から電子を電界放出させることができるので、低い仕事関数と共鳴トンネル効果により、低電界・高電子密度の電子放出が可能となる。
【００３０】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明における電子放出素子のエネルギーバンド構造図である。
【図２】−Ｃ面成長ＧａＮ層の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１】
2006286417.tif 000003
【図２】
2006286417.tif 000004